Arquitectura Del Computador

ARQUITECTURA DEL COMPUTADOR

El concepto de arquitectura en el entorno informático proporciona una descripción de la construcción y distribución física de los componentes de la computadora.

La arquitectura de una computadora explica la situación de sus componentes y permite determinar las posibilidades de que un sistema informático, con una determinada configuración, pueda realizar las operaciones para las que se va a utilizar.

Aunque las tecnologías empleadas en las computadoras digitales han cambiado mucho desde que aparecieron los primeros modelos en los años 40, la mayoría todavía utiliza la arquitectura Eckert-Mauchly, publicada a principios de los años 1940 por John von Neumann pero que fue creada por John Presper Eckert y John William Mauchly.

La arquitectura Eckert-Mauchly describe una computadora con 4 secciones principales: la unidad lógica y aritmética (ALU por sus siglas del inglés: Arithmetic Logic Unit), la unidad de control, la memoria, y los dispositivos de entrada y salida (E/S). Estas partes están interconectadas por un conjunto de cables denominados buses, y que en general son las que dan funcionabilidad a lo que se ve y trabaja en un computador una vez encendido.

Circuitos Lógicos Digitales

Un circuito lógico es aquel que maneja la información en forma de "1" y "0", dos niveles lógicos de voltaje fijos. "1" nivel alto o "high" y "0" nivel bajo o "low".

Los circuitos lógicos están compuestos por elementos digitales como la compuerta AND (Y), compuerta OR (O), compuerta NOT (NO)......

y combinaciones poco o muy complejas de los circuitos antes mencionados.

Estas combinaciones dan lugar a otros tipos de elementos digitales como los compuertas, entre otros.

- compuerta nand (No Y)

- compuerta nor (No O)

- compuerta or exclusiva (O exclusiva)

- mutiplexores o multiplexadores

- demultiplexores o demultiplexadores

- decodificadores

- codificadores

- memorias

- flip-flops

- microprocesadores

- microcontroladores

- etc.

La electrónica moderna usa electrónica digital para realizar muchas funciones. Aunque los circuitos electrónicos podrían parecer muy complejos, en realidad se construyen de un número muy grande de circuitos muy simples.

En un circuito lógico digital se transmite información binaria (ceros y unos) entre estos circuitos y se consigue un circuito complejo con la combinación de bloques de circuitos simples.

La información binaria se representa en la forma de:

- "0" o "1",

- "abierto" o "cerrado" (interruptor),

- "On" y "Off",

- "falso" o "verdadero", etc.

Los circuitos lógicos se pueden representar de muchas maneras. En los circuitos siguientes la lámpara puede estar encendida o apagada ("on" o "off"), dependiendo de la posición del interruptor. (apagado o encendido)

Los posibles estados del interruptor o interruptores que afectan un circuito se pueden representar en una tabla de verdad.

Diseño de Sistemas Digitales / Compuertas Lógicas

Las compuertas lógicas son dispositivos que operan con aquellos estados lógicos mencionados en la parte anterior y funcionan igual que una calculadora, de un lado se ingresan los datos, ésta realiza una operación, y finalmente, muestra el resultado.

Cada una de las compuertas lógicas se las representa mediante un Símbolo, y la operación que realiza (Operación lógica) se corresponde con una tabla, llamada Tabla de Verdad.

Compuerta NOT

Se trata de un inversor, es decir, invierte el dato de entrada, por ejemplo; si pones su entrada a 1 (nivel alto) obtendrás en su salida un 0 (o nivel bajo), y viceversa. Esta compuerta dispone de una sola entrada. Su operación lógica es s igual a a invertida

Compuerta AND

Una compuerta AND tiene dos entradas como mínimo y su operación lógica es un producto entre ambas, no es un producto aritmético, aunque en este caso coincidan.

*Se puede observar que su salida será alta si sus dos entradas están a nivel alto*

Compuerta OR

Al igual que la anterior posee dos entradas como mínimo y la operación lógica, será una suma entre ambas... Bueno, todo va bien hasta que 1 + 1 = 1, el tema es que se trata de una compuerta O Inclusiva es como a y/o b.

*Es decir, basta que una de ellas sea 1 para que su salida sea también 1*

Compuerta OR-EX o XOR

Es OR EXclusiva en este caso con dos entradas (puede tener mas, claro...!) y lo que hará con ellas será una suma lógica entre a por b invertida y a invertida por b.

*Al ser O Exclusiva su salida será 1 si una y sólo una de sus entradas es 1*

Compuertas Lógicas Combinadas

Al agregar una compuerta NOT a cada una de las compuertas anteriores los resultados de sus respectivas tablas de verdad se invierten, y dan origen a tres nuevas compuertas llamadas NAND, NOR y NOR-EX.

Compuerta NAND

Responde a la inversión del producto lógico de sus entradas, en su representación simbólica se reemplaza la compuerta NOT por un círculo a la salida de la compuerta AND.

Compuerta NOR

El resultado que se obtiene a la salida de esta compuerta resulta de la inversión de la operación lógica o inclusiva es como un no a y/o b. Igual que antes, solo agregas un círculo a la compuerta OR y ya tienes una NOR.

Compuerta NOR-EX

Es simplemente la inversión de la compuerta OR-EX, los resultados se pueden apreciar en la tabla de verdad, que bien podrías compararla con la anterior y notar la diferencia, el símbolo que la representa está en el siguiente gráfico.

Estructura de la Unidad Central de Procesamiento (CPU)

Estructura básica de un computador

Ejemplo del funcionamiento interno de la estructura del computador

Álgebra de Boole

El álgebra de Boole fue definido a mediados del siglo XIX por George Boole. En un principio el álgebra de Boole fue un intento de utilizar las técnicas algebraicas para tratar expresiones de la lógica proposicional. Se aplicó por primera vez en circuitos de conmutación eléctrica biestables por Claude Shannon en 1938.

Cualquier álgebra tiene un conjunto de elementos y un conjunto de operadores que actúan sobre los elementos y que tienen una serie de propiedades. El álgebra de Boole llama a los elementos variables lógicas (o variables).

Variable lógica

Una variable lógica tiene dos valores posible (2 estados) que son mutuamente excluyentes o que en el caso de los sistemas digitales pueden representar el valor denominado 1 o 0 los cuales pueden variar entre 0 a 3 voltios para 0 ; y 4 a 5 voltios para designar el valor 1. Ambos valores pueden expresarse mediante sentencias declarativas.

Ejemplos:

1. Estado de un interruptor: A = encendido, Ā = apagado

2. Estado de una puerta: A = abierta, Ā = cerrada

Nota: Ā = -A = A negado = NOT A. La notación que se usa en ingeniería para indicar que una variable está negada es la de poner una raya horizontal encima de la variable.

Puesto que ambas posibilidades son excluyentes, se dice que representan estados complementarios. Entonces, si A = encendido, A = no apagado, es decir, encendido = no apagado = apagado.

Notación de los estados

Aunque no hay una notación universal para los estados de una variable lógica hay una serie de opciones que son las más habituales.

VERDADERO o FALSO (TRUE o FALSE en su versión en inglés) 1 ó 0.

En el diseño de circuitos digitales (y por tanto en este libro) usaremos la versión 1 ó 0, desechando la versión de VERDADERO o FALSO, que es más usada en Filosofía.

Operadores

Boole tiene 3 operadores.

Operador de conjugación (negación): Su función es conmutar (cambiar) el estado de una variable. La doble conjugación no altera el estado de la variable.

Operador OR: Z sólo vale 1 cuando A ó B valen 1.

Operador AND: Z sólo vale 1 cuando A y B valen 1.

Habitualmente el operador OR se representa con un + y el operador AND se representa con un *, ya que las funciones OR y AND son la suma y la multiplicación lógica de variables.

Funciones lógicas

Al conjunto de operaciones sobre variables se le llama funciones lógicas. Las funciones lógicas se pueden expresar mediante tablas de verdad y permiten conocer el valor de un conjunto de variables a partir del valor de otras de las cuales dependen.

Álgebra Booleana y Circuitos Electrónicos

La relación que existe entre la lógica booleana y los sistemas de cómputo es fuerte, de hecho se da una relación uno a uno entre las funciones booleanas y los circuitos electrónicos de compuertas digitales. Para cada función booleana es posible

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